생활 속의 석유화학이야기 – 에틸렌, 석유화학공업의 왕자
에틸렌(C2H4, CH2=CH2)은 무색의 기체로 끓는점이 -104℃인 유기화합물입니다. 유기화합물이란 어떤 화합물들을 칭하는 말일까요? 흔히 부르는 탄소의 화합물을 유기화합물이라 부르며, 그 중에서 탄소=탄소 이중결합을 지닌 화합물들을 통틀어 알켄 혹은 올레핀류라 칭합니다. 따라서 에틸렌은 알켄 중에서 분자량이 가장 낮은 화합물입니다.
현재 에틸렌은 전 세계에서 일 년에 약 15억 톤이 생산되고 있으며, 전체 유기화합물 중 생산량이 최대입니다. 에틸렌 생산량은 현재도 계속해서 증가하고 있는데요. 그만큼 에틸렌이 화학적 이용과 응용에서 모든 유기화합물을 앞선다는 의미입니다.
에틸렌 발견과 관련된 신화와 역사
이 같은 에틸렌은 언제 발견되었을까요? 희랍시대로 거슬러 올라가 그리스 델피의 신전에 있었던 신탁(인간이 판단할 수 없는 어려운 문제의 해결을 위한 인간의 물음에 대한 신의 응답)과 관련이 있다는 설이 있습니다. 이 신전은 태양의 신인 아폴로에게 봉납한 신전으로, 델피에 부는 향긋한 공기가 신탁을 전하는 능력을 일으킨다고 믿었습니다.
그런데 이 공기에 섞여 있던 성분이 지하에서 조금씩 방출되며 에틸렌이라는 추측을 불러일으킵니다. 실제로, 에틸렌은 사향 비슷한 냄새를 풍기며 동시에 달짝지근한데요. 따라서 에틸렌가스를 흡입해 환각 상태에 도달한 사제들이 아폴로신의 신탁을 전했다고 믿어집니다. 재미있는 이야기지만 과학적 증거는 부족합니다.
에틸렌 기체의 발견 년도는 1669년으로 봐야 할 것 같습니다. Johann Joachim Becher(1635-1682, 독일)는 이 해에 에탄올을 황산과 탈수반응시켜 에틸렌을 얻었으며, 후에 Jan Ingenhousz(1730-1799, 네덜란드)도 에틸렌을 합성했습니다.
1795년경 Johann R. Deimann 등 4명의 네덜란드 과학자들은 에틸렌 기체를 염소와 반응시켜 1,2-디클로로에탄 액체를 얻었습니다. 이때 이들은 출발물을 기름을 만드는 기체(olefiant gas)라고 불렀으며, 이 명명은 올레핀(olefin)이라는 이름의 기원이 되었습니다.
그런데 왜 우리는 올레핀이니 알켄이니 하는 두 가지 다른 용어를 쓸까요? 그 후 독일 화학자 August W. von Hofmann의 제안 및 IUPAC(국제순수응용화학연합)의 추천을 통해 올레핀 대신 알켄(에텐)이라는 이름이 공식화되었으나 아직도 에틸렌이라는 명칭이 널리 쓰이고 있습니다.
IUPAC 명명법이 세계적으로 통용되는 공식명칭이지만 전통적으로 사용되어온 이름들이 혼용되고 있어 자칫 혼란을 줄 수 있기 때문입니다.
ohann Joachim Becher(1635-1682, 독일)
그런데 이 공기에 섞여 있던 성분이 지하에서 조금씩 방출되며 에틸렌이라는 추측을 불러일으킵니다. 실제로, 에틸렌은 사향 비슷한 냄새를 풍기며 동시에 달짝지근한데요. 따라서 에틸렌가스를 흡입해 환각 상태에 도달한 사제들이 아폴로신의 신탁을 전했다고 믿어집니다. 재미있는 이야기지만 과학적 증거는 부족합니다.
에틸렌 기체의 발견 년도는 1669년으로 봐야 할 것 같습니다. Johann Joachim Becher(1635-1682, 독일)는 이 해에 에탄올을 황산과 탈수반응시켜 에틸렌을 얻었으며, 후에 Jan Ingenhousz(1730-1799, 네덜란드)도 에틸렌을 합성했습니다.
1795년경 Johann R. Deimann 등 4명의 네덜란드 과학자들은 에틸렌 기체를 염소와 반응시켜 1,2-디클로로에탄 액체를 얻었습니다. 이때 이들은 출발물을 기름을 만드는 기체(olefiant gas)라고 불렀으며, 이 명명은 올레핀(olefin)이라는 이름의 기원이 되었습니다.
그런데 왜 우리는 올레핀이니 알켄이니 하는 두 가지 다른 용어를 쓸까요? 그 후 독일 화학자 August W. von Hofmann의 제안 및 IUPAC(국제순수응용화학연합)의 추천을 통해 올레핀 대신 알켄(에텐)이라는 이름이 공식화되었으나 아직도 에틸렌이라는 명칭이 널리 쓰이고 있습니다.
IUPAC 명명법이 세계적으로 통용되는 공식명칭이지만 전통적으로 사용되어온 이름들이 혼용되고 있어 자칫 혼란을 줄 수 있기 때문입니다.
ohann Joachim Becher(1635-1682, 독일)
에틸렌의 공업적 합성과 이용
에틸렌은 왜 석유화학공업의 왕자 자리를 차지하고 있을까요? 석유화학공업에서 에틸렌은 여러 공정을 통해 얻지만, 스팀크래킹이 가장 중요합니다. 나프타분을 수증기와 같이 750~950℃에서 크래킹하면, 에틸렌 외에도 프로필렌, 부틸렌 등의 알켄과 함께 방향족 화합물도 얻어집니다.
세계 에틸렌 생산의 40% 이상을 Lummus 방법으로 제조하는데 초기 Lummus 기술로는 에틸렌과 프로필렌이 각각 약 15%, 부틸렌 7~8%, 부타디엔 3~4%, 방향족 탄화수소 30~50%가 얻어졌습니다. 현재 7세대 Lummus 기술이 사용되고 있으며 어느 제품을 주로 얻고 싶은지에 따라 공정상에 차이가 있습니다.
Lummus 에틸렌 공정에는 SRT(Short Residence Time) 열분해 히터 기술이 가장 중요합니다. 현재 우리나라는 에틸렌을 연간 835만여 톤 생산하고 있으며, 이는 세계 5위에 해당하는 생산능력입니다. 에틸렌 사용은 매우 다양하며, 가장 큰 소비처는 플라스틱 중에서도 가장 많이 사용되는 폴리에틸렌(PE)의 제조입니다.
Lummus 에틸렌 공정에는 SRT(Short Residence Time) 열분해 히터 기술이 가장 중요합니다. 현재 우리나라는 에틸렌을 연간 835만여 톤 생산하고 있으며, 이는 세계 5위에 해당하는 생산능력입니다. 에틸렌 사용은 매우 다양하며, 가장 큰 소비처는 플라스틱 중에서도 가장 많이 사용되는 폴리에틸렌(PE)의 제조입니다.
세계적으로 볼 때 에틸렌의 50% 이상이 폴리에틸렌 및 에틸렌 공중합체 제조에 쓰입니다. 그밖에 에틸렌은 산화, 수소화, 할로겐화수소화, 알킬화, 수화, 올리고머화, 히드로포밀화 등으로 불리는 여러 가지 화학반응을 통해 화학공업에 매우 중요하고 다양한 원료 화합물을 공급합니다.
이 중에서 산화에틸렌, 디클로에탄, 에틸벤젠이 가장 중요하며, 폴리에틸렌 제조와 이들의 합성에 에틸렌의 약 90%를 사용합니다. 도대체 이 세 화합물들이 어디에 쓰이기에 그럴까요?
우선 산화에틸렌(EO)을 살펴보겠습니다. 에틸렌을 산화시켜 얻는 이 화합물은 다양한 계면활성제에 쓰입니다. 산화에틸렌을 수화시키면 에틸렌글리콜(EG)이 얻어지는데 이 화합물은 자동차의 부동액 원료이며, 또 테레프탈산과 중합해 폴리에스테르(섬유, 플라스틱용)를 제조합니다.
에틸렌은 산화조건에 따라 아세트알데히드, 아세트산(초산)이 되기도 합니다. 에틸렌의 할로겐화와 할로겐화수소화는 이염화에틸렌, 염화에틸, 이브롬화에틸렌 등을 제공합니다. 옥시염화반응으로 염화비닐(CH2=CHCl)을 만들고 중합하면 폴리염화비닐(PVC)이 되는데, 물론 이 단위체는 여러 가지 염화비닐 공중합체 제조에 사용되기도 합니다. 염화물들은 다른 유기화합물 합성에 중요한 출발물입니다.
이 중에서 산화에틸렌, 디클로에탄, 에틸벤젠이 가장 중요하며, 폴리에틸렌 제조와 이들의 합성에 에틸렌의 약 90%를 사용합니다. 도대체 이 세 화합물들이 어디에 쓰이기에 그럴까요?
우선 산화에틸렌(EO)을 살펴보겠습니다. 에틸렌을 산화시켜 얻는 이 화합물은 다양한 계면활성제에 쓰입니다. 산화에틸렌을 수화시키면 에틸렌글리콜(EG)이 얻어지는데 이 화합물은 자동차의 부동액 원료이며, 또 테레프탈산과 중합해 폴리에스테르(섬유, 플라스틱용)를 제조합니다.
에틸렌은 산화조건에 따라 아세트알데히드, 아세트산(초산)이 되기도 합니다. 에틸렌의 할로겐화와 할로겐화수소화는 이염화에틸렌, 염화에틸, 이브롬화에틸렌 등을 제공합니다. 옥시염화반응으로 염화비닐(CH2=CHCl)을 만들고 중합하면 폴리염화비닐(PVC)이 되는데, 물론 이 단위체는 여러 가지 염화비닐 공중합체 제조에 사용되기도 합니다. 염화물들은 다른 유기화합물 합성에 중요한 출발물입니다.
다음으로 중요한 에틸렌의 이용은 벤젠과 반응시키는 알킬화 공정입니다. 이 반응으로 에틸벤젠이라는 화합물을 만드는데, 아마도 이 화합물 자체를 만나본 일반인은 거의 없으리라 믿습니다. 왜 그럴까요? 사실 그럴 수밖에 없습니다. 에틸벤젠의 대부분은 탈수소화 반응을 통해 스티렌을 만드는데 쓰이고 있기 때문입니다.
스티렌은 폴리스티렌(PS) 및 다양한 공중합체(플라스틱) 제조의 원료가 됩니다. 흔히 PE, PS와 PVC를 삼대 플라스틱이라 부르는데, 이들이 모두 에틸렌의 자손들입니다.
또 에틸렌은 산촉매 존재하에 수화시키면 합성에탄올이 됩니다. 이같이 제조한 합성에탄올은 의료용 소독 알코올로 사용되며, 화학공업 원료로도 넓게 사용되고 있습니다. 이밖에도 에틸렌은 화학공업의 출발 원료로 훨씬 더 다양하게 쓰이며, 화학공업의 왕자의 자리를 굳게 지키고 있습니다.
스티렌은 폴리스티렌(PS) 및 다양한 공중합체(플라스틱) 제조의 원료가 됩니다. 흔히 PE, PS와 PVC를 삼대 플라스틱이라 부르는데, 이들이 모두 에틸렌의 자손들입니다.
또 에틸렌은 산촉매 존재하에 수화시키면 합성에탄올이 됩니다. 이같이 제조한 합성에탄올은 의료용 소독 알코올로 사용되며, 화학공업 원료로도 넓게 사용되고 있습니다. 이밖에도 에틸렌은 화학공업의 출발 원료로 훨씬 더 다양하게 쓰이며, 화학공업의 왕자의 자리를 굳게 지키고 있습니다.
에틸렌은 식물호르몬
놀랍게도 에틸렌은 식물호르몬으로 과일의 성숙, 꽃의 개화, 잎의 낙엽화를 촉진합니다. 에틸렌은 식물의 잎, 줄기, 꽃, 과일, 뿌리, 씨앗, 땅속줄기 등 어디에서나 배출되며 식물의 노쇠에도 호르몬 작용을 합니다.
따라서 에틸렌 기체는 과일을 빨리 익히거나, 개화를 촉진하거나 늦출 때 사용하기도 합니다. 식물계와 동물계의 생리학적인 차이가 너무도 큼에 놀랄 뿐입니다. 앞으로 식물계 에틸렌에 대한 더 많은 연구가 기대됩니다.
따라서 에틸렌 기체는 과일을 빨리 익히거나, 개화를 촉진하거나 늦출 때 사용하기도 합니다. 식물계와 동물계의 생리학적인 차이가 너무도 큼에 놀랄 뿐입니다. 앞으로 식물계 에틸렌에 대한 더 많은 연구가 기대됩니다.
진정일
서울대학교 화학과 학사 및 석사 과정을 마치고 미국 뉴욕시립대학교에서 고분자화학 박사학위를 받았다. 지난 40여 년간 고려대학교 화학과에서 후학들을 가르쳐왔고,
액정 고분자의 세계적 권위자로 420여 편의 논문을 세계적 학술지에 발표했으며, 노벨상 추천위원으로 활동하는 등 학문적 성과를 국제적으로 인정받았다. 현재 고려대학교 KU-KIST 융합대학원장과 한국과학문화교육단체연합회장으로 활동하고 있다.